多路输出均流LED驱动电源研究

林丽芗

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350116）

多路输出均流LED驱动电源研究

林丽芗

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350116）

针对大功率LED应用场合下需要多路输出及各路电流均衡的问题，本文提出一种基于电容均流的多路输出均流的LED驱动电路拓扑。详细分析了四路输出均流原理，并进行了等效电路的推导，在CLCL-T谐振恒流网络的基础上实现多路输出电流的恒定与均衡；最后设计一台108W的实验样机，实验结果验证了所提电路具有良好的均流精度。

均流；LED驱动；恒流

为了达到所需要的输出功率等级，LED串通常采用串并联结构，由于LED导通压降的离散性和负温度系数的特性，串并联结构的LED串必须采用合适的均流措施才能保证各路LED串的电流达到均衡[1-2]。多路LED均流方法大致可分为有源均流和无源均流，其中无源均流方法以电路结构简单、成本低、效率高的优点被广泛应用。无源均流方案就是利用电容、变压器（耦合电感）、磁放大器等无源器件来实现多路输出均流，但其均流精度与无源元件有关，容易受到其参数的影响而降低均流精度[3-4]。因此，研究高效精确的均流方法对于LED驱动乃至LED照明的发展有着至关重要的作用。

1 多路输出均流电路结构

图1所示为2n路输出均流LED驱动电路的原理图，由电压型半桥逆变电路、CLCL-T谐振恒流网络、2n路输出均流电路、整流网络等组成。电压型半桥逆变电路由开关管S1、S2组成，将直流输入电压变换成方波信号；CLCL-T谐振恒流网络工作在特定频率时具有恒流特性，输出电流恒定；2n路输出均流电路利用电容的充放电平衡实现多路无源精确均流：其中，Cbn均衡n组内Vn1、Vn2支路的输出电流，Cb(2n-1)均衡(n-1)组内V(n-1)2和n组内Vn1支路的输出电流。

等效电路推导，采用基波分析法对图1电路进行分析，即假设原边电流只有基波分量向副边传送能量，忽略其他谐波分量的作用。由此得到的交流等效电路如图2所示。

当Cb(n+1)＞＞Cbn时，基于CLCL-T谐振恒流网络的多路输出均流电路的交流等效电路如图2（a）所示。

式中，Vin为谐振回路输入电压基波分量的有效值，Rac1、Rac2为LED的交流等效负载，Ro为每路LED的直流等效负载。

图1 2n路输出均流LED驱动电路原理图

图2 CLCL-T谐振变换器交流等效电路

因为Cb1=Cb2=…=Cbn=Cb，Rac1=Rac2=…=Racn=Rac，假设变压器励磁电感无穷大，则可得简化的CLCL-T谐振网络的交流等效电路，如图2（b）所示。其中

式中，N为变压器原副边匝数之比。

从图2（b）可得谐振网络的输出电流有效值，其表达式为

图3 不同负载下的谐振网络输出电流

2 四路输出均流原理

CLCL-T谐振恒流网络在变压器副边绕组上产生一个正向电压和反向电压交替的电压波形。假设在ta～tb时间里，副边绕组输出的电压是正向电压，如图4（a）所示，1组中电流的流通途径为Cb1、D11、V11，再流回变压器副边绕组，电流i1给Cb1充电；2组中电流的流通途径为Cb2、D21、V21、Cb3，再流回变压器副边绕组，电流i2给Cb2、Cb3充电。故

tb～tc时间里，副边绕组输出的电压是反向电压，如图4（b）所示，1组中电流的流通途径为Cb3、V12、D12、Cb1，再流回变压器副边绕组，电流i1′给Cb1、Cb3放电；2组中电流的流通途径为V22、D22、Cb2，再流回变压器副边绕组，电流i2′给Cb2放电。故

图4 四路均流等效电路

而每一路的输出电流为

因为稳态时电容在一个周期内充放电平衡，即

由式（1）至式（4）可得

3 实验验证

为验证所提电路的均流效果，搭建了如图1所示的4路输出均流实验样机（n=2）。主要参数如下：直流输入电压Vdc=400V，额定输出电流：I11=I12=I21= I22=0.5A，谐振变换器工作频率fs=100kHz，谐振电容Cr=20nF，Cs=6.8nF，谐振电感Lr=129μH，Ls= 240μH，均流电容Cb1=Cb2=0.1μF，Cb3=1μF。实验结果如图5所示。

图5（a）、图5（b）是输出电压分别为54V、18V时的输出电流波形，可以看出LED负载变化，即输出电压变化时，每路输出电流基本不变，可见该电路可以实现不同灯电压下输出电流的恒定与均衡。

表1为负载不均衡时对应的各支路输出电流。可以看出，负载不均衡度不同时对应的均流误差也不同，但均小于0.5%，可见所提方案具有良好的均流精度。

图5 不同输出电压下的输出电流波形

表1 输出电压不同时各支路的输出电流

4 结论

本文提出一种基于CLCL-T谐振网络的多路输出均流电路拓扑，分析了四路输出均流的原理及其交流等效电路图，最后用实验验证了所提电路具有良好的均流精度。

[1] Shih-Chang H, Ming-Hwa S, Sheng-Yueh L. Chip implementation of high-efficient LED dimming driver for high-power light-emitting-diode lighting system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 8(6): 1043-1051.

[2] 赵融融. 多路LED驱动电流控制及均衡技术[D]. 杭州: 浙江大学, 2015.

[3] Sang-Ho Cho, Sang-Hyun Lee, Sung-Soo Hong, et al. High-Accuracy and Cost-Effective Current-Balanced Multichannel LED Backlight Driver using Single-Transformer[C]//IEEE Proc. ECCE, 2011, 520-527.

[4] Wu Xinke, Hu Chen, Zhang Junming, et al. Analysis and design considerations of LLCC resonant multioutput DC/DC LED driver with charge balancing and exchanging of secondary series resonant capacitors[J]. IEEE Transactions on Power Electronic, 2015, 30(2): 780-789.

Research on the LED Driver with Multi-output Current Sharing

Lin Lixiang
(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350116)

As for the needs of multi-outputwith current balancing in high-power LED applications, the paper proposes a LED driver with multi-output current sharing based on capacitance. Analyzing in detailthe principle of 4-output current balancing, and deducing the equivalent circuit of the resonant network. Keeping the multi-output current constant and balanced based on the CLCL-T resonant network. Finally, a 108W laboratory prototype has been built. The experimental results confirm that the topology presented has good characteristic of current balancing.

current balancing; LED driver; constant current

林丽芗（1991-），女，福建省漳州市人，硕士研究生，研究方向为电能的高频变换与控制技术。